压力容器的开孔补强计算是依据

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第13章

第13章 压力容器的开孔与补强

本章重点内容及对学生的要求：

（1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求；

（4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。

第一节 容器开孔附近的应力集中

1、 相关概念

（1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration）

在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响：

? 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ? 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。

? 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。

（2）应力集中系数（stress concentration factor）

常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第13章

第13章 压力容器的开孔与补强

本章重点内容及对学生的要求：

（1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求；

（4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。

第一节 容器开孔附近的应力集中

1、 相关概念

（1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration）

在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响：

? 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ? 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。

? 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。

（2）应力集中系数（stress concentration factor）

常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ

在薄壁压力容器器壁上开孔,不但削弱了容器的材料强度,而且导致容器局部应力集中,成为容器破坏的重要因素之一。国标设计中考虑容器开孔补强的安全性尽管有了一系列规定,但对影响安全诸因素的随机性考虑较少,而可靠性设计把影响安全的参数作为随机变量,依据概率统计把安全性与经济性统一进行设计计算。通过实例计算与分析对比表明,可靠性设计在保证可控的故障概率下,容器的成本投

第 1 0卷

第3 6期

21 0 0年 1 2月

科

学

技

术

与

工

程

V0. 0 No 3 De . 0 0 11 .6 c2 1

17— 11 2 1 ) 69 8—4 61 8 5( 0 0 3— 0 2 0

S in eT c n l ya d E￣n e n ce c eh o g n n e f g o i

⑥

2 1 SiT c. n n. 0 0 c eh E gg .

薄壁压力容器开孔补强的设计计算与可靠性分析林玉娟李继伟江雪(北石油大学机械科学与工程学院，庆 13 1 )东大 6 3 8

摘

要

在薄壁压力容器器壁上开孔，不但削弱了容器的材料强度，而且导致容器局部应力集中，成为容器破坏的重要因素

之一。国标设计中考虑容器开孔补强的安全性尽管有了一系列规定，对影响安全诸因素的随机性考虑较少，可靠

摘要：在压力容器设计过程中，选择合适的材料和满足强度的补强设计对压力容器的安全、平稳运行至关重要。对压力容器主要受压元件如何选材进行了介绍，对开孔补强设计技术的要领进行了探讨，提出了有针对性的设计建议。

关键词：选材;补强设计;化工压力容器 引言

压力容器作为化工行业主要生产设备，同时也是特种设备的一类，在使用过程中，它的安全运行意义重大。压力容器主要受压元件的选材必须要符合相关法规和标准的要求，同时，还要满足其使用性能。在生产和使用过程中，由于受实际条件的限制，材料代用常有发生，增加了压力容器合理用材的复杂性，在容器设计、制造、使用的各个环节对技术人员提出了更高要求。压力容器为了正常的使用操作，会在筒体和封头等受压元件上开孔，以便安装物料进出、仪表检测、检修人孔等工艺管口。开孔会削弱容器本体材料的承载能力，同时，由于接管和筒体的结构连接不连续，会在开孔处造成局部应力集中[1]。

1材料的选用 1.1主体材料的选用

压力容器主体材料的选用对其安全性能起决定性的作用。在设计压力容器时，主体受压元件选样除了能要满足相关法规和标准的硬性规定外，还要选择能满足设备的力学性能、物理性能、工艺性能和介质相容性的材料，确保材料有优良

摘要：在压力容器设计过程中，选择合适的材料和满足强度的补强设计对压力容器的安全、平稳运行至关重要。对压力容器主要受压元件如何选材进行了介绍，对开孔补强设计技术的要领进行了探讨，提出了有针对性的设计建议。

关键词：选材;补强设计;化工压力容器 引言

压力容器作为化工行业主要生产设备，同时也是特种设备的一类，在使用过程中，它的安全运行意义重大。压力容器主要受压元件的选材必须要符合相关法规和标准的要求，同时，还要满足其使用性能。在生产和使用过程中，由于受实际条件的限制，材料代用常有发生，增加了压力容器合理用材的复杂性，在容器设计、制造、使用的各个环节对技术人员提出了更高要求。压力容器为了正常的使用操作，会在筒体和封头等受压元件上开孔，以便安装物料进出、仪表检测、检修人孔等工艺管口。开孔会削弱容器本体材料的承载能力，同时，由于接管和筒体的结构连接不连续，会在开孔处造成局部应力集中[1]。

1材料的选用 1.1主体材料的选用

压力容器主体材料的选用对其安全性能起决定性的作用。在设计压力容器时，主体受压元件选样除了能要满足相关法规和标准的硬性规定外，还要选择能满足设备的力学性能、物理性能、工艺性能和介质相容性的材料，确保材料有优良

计遵循规范：GB150-1998 设计条件 计算压力Pc 设计温度t 筒体内直径Di 筒体材料 筒体材料许用应力[σ ] 筒体焊接接头系数φ 筒体材料厚度负偏差C1 筒体材料腐蚀裕量C2 筒体材料厚度附加量C=C1+C2 筒体开孔处名义厚度δ 接管材料 接管材料许用应力[σ ]tt 接管外直径DtE 接管名义厚度δnt n t

算

书开口直径:DN600 简

项目号 文表号 第 1 页 共 1 页

筒体开孔补强开口编号

零件编号: 图

0.1 50 7000 0Cr18Ni9 137 1 0 0 0 12 0Cr18Ni9 137 630 10 0 0 0 1 开

MPa ° C mm

MPa

mm mm mm mm

MPa mm mm mm mm mm

接管材料厚度负偏差Ct1 接管材料腐蚀裕量Ct2 接管材料厚度附加量Ct=Ct1+Ct2 接管焊接接头系数φt

口

补

强

计

算 610 mm

接管内直径Dti 强度削弱系数fr 接管计算厚度δt

Dti=DtE-2δ

nt= t t

fr=Min([σ ]t /[σ ] , 1) δ t=PcDti/(2[σ ]tt φ t-Pc)= d=Dti+2Ct= δ =PcDi/(2[σ ] φ -Pc)= A=dδ +2

圆筒、封头及开孔补强计算设计条件 设计压力 设计温度 设备内径 材料 许用应力 焊接系数 腐蚀裕量 [σ]t φ C2 t1℃ t2℃ 许用应力计算 [σ]t1 [σ]t2 内插值[σ]t 水压试验 常温许用应力 试验压力 有效厚度 圆筒应力 材料屈服点 试验许用应力 校核 [σ] PT δe σT σs 0.9*σs 0.9*σs MPa MPa mm MPa MPa MPa 113.00 1.10 8.20 101.16 235.00 211.50 σT mm 20 50 113 113 113 内插法计算许用应力 P t Di MPa CO

厚度计算 0.880 50 1500 113.0 1.00 1.00 曲面高度 形状系数 许用应力 计算厚度 厚度负偏差 厚度附加量 所需厚度 名义厚度 接管规格 系数 P50;0.9 开孔处计算厚度 接管外径 名义壁厚 接管内径 0.15*δnt 材料负偏差 腐蚀裕量 厚度附加量 焊接系数 接管许用应力 接管计算厚度 开孔直径 所需补强面积 外侧有效高度 内侧有效高度削弱系数(接管/壳体)

圆筒

1.4

mm Q235-B MPa

[σ]t δ C1 C δn DN K1 δ Dtw δnt Dti Ct1

精品文档

第11章压力容器的强度计算

本章重点要讲解内容：

（1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则；

（2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差；

（3）掌握内压圆筒的厚度设计；

（4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。

（5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。

第一节设计参数的确定

1、我国压力容器标准与适用范围

我国现执行GB150 - 98钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。

JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准

则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。

2、容器直径（diameter of vessel）

考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。

如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外

SW6开孔补强的数据输入

1、焊接接头系数的取值

当设备焊接接头系数是0.85时，开孔处壳体焊接接头系数如何取值，有很多看法，归结如下：

a) 取1.0（SW6默认1.0）

b) 按壳体的焊接接头系数，壳体的焊接接头系数为0.85，开孔补强计算时壳体的焊接接头系数应取0.85

c) 补强区内没有A、B类焊缝时，可以取1.0（有接头才会有接头系数，才会有强度削弱，没有接头为什么不能取1.0？），有焊缝时应按壳体。可设计无法得知筒体组装情况，开孔处有无焊缝也无从知晓，因此保守的单位还是取0.85。

开孔处壳体焊接接头系数（记为φ1），接管的焊接接头系数（记为φ2），这两个焊接接头系数对于开孔补强计算有何作用？等面积开孔补强计算的合格条件：A1+A2+A3(+A4)>A

A——开孔削弱所需要的补强截面积

A1——壳体多余的补强面积

A2——接管多余的补强面积

A3——焊缝金属截面积

A4——另加的补强面积（补强圈等）

多余的补强面积是如何得出来的？简单的讲，就是长×宽：

长——B-dop的数值（有效的补强范围）

宽——多余的厚度（有效厚度减去计算厚度）

标准一长串公式，就是考虑了接管材料与壳体的不同，引入的强度削弱系数而已，那么影响多余补强面积的数值，其实只有长当中的B和宽当中

目录

1.绪论…………………………………………………………… 1.1设计任务…………………………………………………… 1.2设计思想……………………………………………………… 1.3设计特点……………………………………………………… 2.储罐简介………………………………………………………… 2.1储罐的用途……………………………………………………. 2.2储罐的分类……………………………………………………. 3.材料及结构的选择……………………………………………… 3.1.材料选择……………………………………………………… 3.2.结构的选择…………………………………………………… 3.2.1.封头的选择………………………………………………… 3.2.2.法兰的选择………………………………………………… 3.3.鞍座的选择…………………………………………………… 4.结构设计………………………………………………………… 4.1.壁厚的确定…………………………………………………… 4.2.封头厚度设计………………………………………………… 4.2.1.计算封头厚度……………………………………………… 4.3.储罐零部件的选取…………………………